化工仿真技术与前景分析

周姣

湖南省轻纺设计院有限公司 湖南 长沙 410015

1 化工仿真培训系统兴起背景

工厂良好运营的最关键的因素在于是否拥有一批技能娴熟的操作工。通常，新建工厂需要通过下列步骤来对其技术操作工进行培训：①通过课堂培训的方式使其操作工掌握对控制机械阀门、泵、热交换器等的操作原理；②安排其操作工到供货商处进行装置设备操作训练，来提高他们的操作技能；③对操作工进行在职培训，在实际工厂操作中学习技巧。

然而，从操作技术发展角度看，传统培训计划并不是十分有效。在现实中，虽工厂高度重视生产和运作的安全性，可新的或技术欠佳的操作人员却很少有机会亲身体验开工、停工、工况波动和紧急情况。鉴于此，工人要想顺利进行安全操作生产，必须依靠仿真培训系统(OTS)的帮助。装置开工是石化生产中的最复杂、覆盖面最广的重要环节，OTS是模拟石化装置开、停工操作的最好平台[1]。

2 仿真培训系统目标

操作员仿真培训系统可用于在工厂正式开工前、后培训操作员，目的在于：提供安全性，减少环境不确定性影响，缩短开工、停工时间，延长装置实际运行时间，减少不合格品生产；提高操作员的知识水平和技术水平，使操作员对工艺过程有深入的了解，积累工艺经验和故障诊断经验；提高操作员素质，熟悉工艺操作和DCS操作，减少和避免由于人为因素导致的事故、损失，培训操作班组处理紧急、异常工况的能力；进行以下操作培训：冷态、热态开车；正常停工、紧急停车；紧急状态处理、操作异常调节、常见事故处理、设备故障处理等；正常操作、改生产方案等培训。

开工前，OTS用于：评估操作员的培训情况和操作能力；标准操作规程测试；测试、验证装置的安全性，在工厂验收测试及操作培训中评估装置的安全程度；可单独设置、测试、检验开工、停工、生产方案切换及紧急工况处理预案，还可用来测试设备故障时候的应变程序；DCS正式投用前，检查DCS界面，检查顺序控制逻辑、联锁逻辑、复杂控制方案；利用仿真器进行控制回路整定。

正常生产时，OTS还可作为公用工具，供操作员、工程师对工艺及控制等方面的研究：用于工艺学习，指导优化操作；仿真器上可进行工艺脱瓶颈研究；对于原料变化，可预测生产工况、工艺操作过程、产品质量等；指导工程师修改工艺卡；帮助大修前技改方案的制定[2]。

3 仿真培训系统说明

3.1 系统的应用

利用动态仿真器建立的虚拟工厂代表着一个和实际工厂相近的环境，可被应用到很多场合。

3.1.1 过程分析和检查。不光稳态操作可以进行，过程和控制系统的动态分析和检查也可进行。例如，下列的内容可以在工厂实际运行之前得到检查：在实际工厂开工前，可以预先准备和检验开、停车。在重新改造管路和设备前，可以预先考察一些限制及容量数据。在进料量、操作负荷、设备等改变前，可以进行先期可行性分析。可以检验控制系统变化的效果，以整定控制系统参数。

3.1.2 化工过程教育。通过对虚拟工厂的操作可提高分析能力。熟悉设备装置性能、控制系统功能。设备及装置有关内部变量能得到实时显示，学员可得到对过程及控制得更好理解，帮助理解真实的工厂操作过程。

3.1.3 操作员培训。操作员能身临其境地学习工厂操作，处理各种不同工况下的操作。训练包括开停车、设备故障、不正常情况下的紧急操作、工况或负荷改变等操作[3]。

3.2 系统的功能模块

3.2.1 工厂模型模块：动态仿真器是动态仿真平的核心技术，通过模块拖放，一个大型复杂工厂的动态模型可被有效建立。

3.2.2 执行控制模块：负责管理整个动态仿真器的执行及数据，是指挥部。

3.2.3 数据库模块：提供实时位号数据库功能。可保存模型运行时的数据、中间计算数据、派生新位号等。

3.2.4 图形化模块：提供给终端用户进行DCS操作及现场操作的仿真界面。

3.2.5 连接模块：提供连接过程控制系统（包括DCS）以连接OTS的功能，使得培训可在真实的现场操作界面上进行。也可用来检验过程控制系统的控制逻辑。

3.2.6 教员辅助模块：提供学员监测、故障设置、教员变量设置、评分标准设置、题库设置、事件记录等教学功能。

3.2.7 自动操作模块：提供自动执行仿真的功能，一系列的操作步骤可被准确重复，可用于步骤的核实和验证；可自动在操作培训场景中加入故障的发生。

3.2.8 数据接口模块：提供开放式标准OPC接口[4]。

3.3 系统的设计原理

3.3.1 培训员：采用与工厂在实际中操作所用的DCS操作员一致的控制台，这使得培训环境更为现实逼真。

3.3.2 教员：提供强大的教员辅助工具包，保证了教员工作的高效性；

3.3.3 工程师：VM 是一款基于CAD的程序仿真建模工具，该程序模型也可以像管路及仪表布置图绘图一样进行开发。由VM开发的模型的逼真度高，它不仅可用来培训操作员，而且还可用作对工程师的操控培训。

3.4 系统与DCS/SIS/CCS/PLC等控制系统的配合

基于VMmaster的仿真培训系统对于各种DCS系统都可利用其PCS模块进行兼容。采用VM的联锁结构图建模工具,可以非常方便地实现各种SIS/CCS/PLC等系统的仿真[5]。

4 仿真培训系统配置

4.1 仿真培训系统架构

OTS系统将采用与实际DCS数据直联的方式，实际DCS的组态数据库将直接下装与OTS模型联接，实现仿真逼真度100%。

仿真培训系统由教员站、DCS操作员站、现场操作员站、仿真服务器、DCS工程师站、DCS虚拟仿真控制站、通信设备、DCS虚拟仿真控制站、打印机等组成。

DCS操作员站为学员提供真实的DCS操作培训界面，完成开车、停车、生产方案切换、故障处理等培训。

现场操作员站提供远程仿真操作功能，即非DCS操作的现场设备操作、SIS、CCS、PLC等操作培训。

仿真服务器是可进行模型维护、开发、运行、调试等功能。过程模型的开发基于化学工程的基本原理，热力学特性，以及设备性能/设计数据。从开工到正常操作和停工的过程中，能够确保过程响应的精确性。高保真模型能够实现高效和高水平的操作训练，意味着操作员能获取关于工厂操作的高水平知识。过程模型通过使用装置设备单元的模块开发而来，它包括阀、容器、泵、塔、压缩机、热交换器、罐、管道系统等。

教员站应用教员辅助工具箱，来提供训练课程并提供预设题库、评估学员成绩，打印成绩单。

DCS工程师站对操作员站界面进行维护、组态和更新；对DCS控制逻辑进行维护、组态和更新；对培训所涉及的DCS数据库进行选择和FCS 运行控制[6]。

4.2 项目过程仿真范围

4.2.1 仿真器应包括以下装置所需预先配置的内容：①故障：装置预设的故障数为200以上，根据装置复杂程度确定。②初始条件：基于买方提供的设计规范，将会提供两个基本初始条件。第一个是周围环境条件下的“冷态”初始条件，为开车做准备；第二个由买方所提供的稳态设计数据为基础的“稳态”初始条件；此外，将根据用户提供的数据及需要提供其他备用初始条件，如热态开车、生产方案切换、停车等。

4.2.2 模型保真度：指特定设备仿真器的精度。对稳态中的关键参数来说，模型保真度将会是2%，P&ID控制回路、关键机组和设备的关键点均为关键参数。

4.2.3 培训功能：仿真培训系统操作员站与工厂实际中操作所用DCS操作站一致，使得培训环境更为现实逼真，对教员站则提供了便利的培训输入界面，而教员站所具有的便捷及高精度建模环境，使该仿真培训系统亦能成为一个工程师的培训环境。

4.2.4 总体建模技术：将基于严格的工程模型基本原理而进行，参照了化学工程热力学、反应工程、流体力学、质量与能量守恒、热与质量传递、单元操作等多方面知识。基本原理模型的应用能够实现设备内的复杂交互作用的仿真[7]。

5 结束语

工业4.0背景下，随着石化企业管理水平的不断提高、生产装置工艺技术、仪表控制技术的不断改进与升级换代，拥有良好操作技能的生产工人是化工装置安全稳定、长周期运行的必要保障，所以工人的技能培训和快速掌握新的生产控制手段更显得急迫与突出。仿真培训系统是公认的操作工人最佳的技能培训与技能考核的现代化手段，对操作人员的技能提升和考核起到了非常好的作用，在各石化企业的应用实践中已经取得了非常好的效果。国内化工仿真模拟技术已经深入到石化行业的许多方面，是化工厂生产培训及安全运行保驾护航的现代化、智能化、自动化的关键技术。其也在不断突破自我，迎接全球性竞争的挑战。